《机械制造技术》-第4章

4.1.1机床夹具的组成从广义上来说，为使工艺过程的任何工序保证质量、提高生产率、减轻工人劳动强度及工作安全等的一切附加装置都称为夹具。机床夹具是在机床上用来装夹工件和引导刀具的一种装置其作用是将工件定位，以使工件获得相对于机床和刀具的正确位置，并把工件可靠地夹紧。机床夹具的种类繁多、结构各异，但它们的工作原理基本相同如图4-1所示为一个加工后盖零件钻床夹具，从这个夹具可以看出，一般的夹具是由以下几部分组成的。1.定位元件定位元件起定位作用，用于确定工件在夹具中的正确位置，它是夹具的主要功能元件之一。如图4-1所示圆柱销5、菱形销9和支承板4都是定位元件，它们使工件在夹具中占据正确位置。4.1夹具的基本概念下一页返回2.夹紧装置将工件夹紧，以保证工件在加工过程中受到外力(如切削力、重力、惯性力等)作用时，已经占据的正确位置不被破坏如图4-1所示钻床夹具中的开口垫圈6是夹紧元件，与螺杆8和螺母7一起组成夹紧装置。3.导向元件和对刀装置用来保证刀具相对于夹具的位置，对于钻头、扩孔钻、铰刀、镗刀等孔加工刀具用导向元件，如图4-1所示的钻套1是导向元件。对于铣刀、刨刀等用对刀装置。4.联接元件用于确定夹具在机床上的位置并与机床相联接。如定位键、定位销及紧固螺栓等。4.1夹具的基本概念上一页下一页返回5.夹具体用于联接夹具上各个元件，使之成为一个整体，并与机床有关部件相联接，是夹具的基础件，如图4-1所示的夹具体3定位元件、夹紧装置、对刀一导向元件、联接元件等都装在夹具体上面，因此夹具体一般都比较复杂，它保证了各元件之间的相对位置6.其他元件和装置指夹具中因特殊需要而设置的装置或元件。如分度装置、上下料装置、安全保护装置、吊装元件等。在上述各组成部分中，定位装置、夹紧装置、夹具体是机床夹具的基本组成部分。4.1夹具的基本概念上一页下一页返回4.1.2夹具的作用1.保证加工质量采用夹具后，工件各表面间的相互位置精度是由夹具保证的，而不是依靠工人的技术水平与熟练程度，所以产品质量容易保证。2.提高劳动生产率采用夹具后，避免了用划线等手工操作方法来定位工件，工件装夹迅速、方便，从而大大缩短了辅助时间，提高了生产率。3.减轻劳动强度，保证安全生产有些工件，特别是比较大的工件，调整和夹紧很费力气，而且注意力要高度集中，很容易疲劳如果采用气动或液压等自动化夹紧装置，既可减轻工人的劳动强度，又能保证安全生产。4.1夹具的基本概念上一页下一页返回4.扩大机床的工艺范围实现一机多用，一机多能如在铣床上安装一个回转台或分度装置，可以加工有等分要求的零件；在车床上安装镗模，可以加工箱体零件上的同轴孔系4.1.3夹具的分类机床夹具种类繁多，可按不同的方式进行分类。按夹具的使用范围和特点分类1)通用夹具指结构、尺寸已经规格化，具有一定通用性的夹具如车床使用的三爪卡盘、四爪卡盘，铣床使用的平口钳等其特点是适应性强，不需调整或稍加调整就可用来安装一定形状和尺寸范围内的各种工件的加工，采用这种夹具可缩短生产准备周期，减少夹具品种，从而降低零件的制造成本但是它的定位精度不高，操作复杂，生产效率低，且较难装夹形状复杂的工件，故主要用于多品种的单件小批生产。4.1夹具的基本概念上一页下一页返回2)专用夹具根据零件工艺过程中某工序的要求专门设计的夹具，此夹具只为该零件使用其特点是结构紧凑、操作迅速、方便；可以保证较高加工精度和生产率；但设计和制造周期长，制造费用高；无继承性，在产品变更后，因无法重复利用而报废。因此这类夹具主要用于产品固定的大批量生产的场合。3)可调夹具它是根据结构的多次使用原则而设计的，对不同类型和尺寸的工件，只需调整或更换原来夹具上的个别定位元件或夹紧元件便可使用。它一般分为通用可调夹具和成组夹具，前者的加工对象不很确定，通用范围大，如滑柱式钻模、带各种钳口的通用虎钳等；后者则是针对成组工艺中某一组零件的加工而设计的，加工对象明确，调整范围只限于本组内的工件。4.1夹具的基本概念上一页下一页返回4)随行夹具这是一种在自动线或柔性制造系统中使用的夹具。工件安装在随行夹具上，除完成对工件的定位和夹紧外，还载着工件由运输装置送往各机床，并在各机床上被定位和夹紧。5)组合夹具由许多标准件组合而成，可根据零件加工工序的需求拼装，用完后再拆卸，元件和组件可反复使用，可用于单件小批量生产。2.按使用机床分类分为车床夹具、铣床夹具、钻床夹具、镗床夹具、拉床夹具、磨床夹具、齿轮加工机床夹具等。3.按动力来源分类分为手动夹具、气动夹具、液压夹具、气液夹具、电磁夹具、真空夹具等。4.1夹具的基本概念上一页返回4.2.1工件的安装为了加工出符合规定技术要求的表面，必须在加工前将工件安装(又称装夹)在机床上或夹具中。这里的安装有两个含义，即定位和夹紧。工件在机床上加工时，首先要把工件安装在机床工作台上或夹具中，使它和刀具之间有正确的相对位置，这个过程称为定位。工件定位后，应将工件固定，使其在加工过程中保持定位位置不变，这个过程叫夹紧。工件从定位到夹紧的整个过程称为安装。正确的安装是保证工件加工精度的重要条件。工件在机床上或夹具中的安装一般有三种方式1.直接找正安装工件的定位过程可以由操作工人直接在机床上利用千分表、划针等工具，找正某些有相互要求的表面，然后夹紧工件，4.2工件在夹具上的定位下一页返回称之为直接找正安装。直接找正安装只需使用通用性很好的机床附件和工具，但定位精度不易保证，生产率较低，一般用于单件、小批量生产。2.划线找正安装有些体积大、质量大、形状复杂的工件往往先划线，然后装上机床，按所划的线进行找正定位。此法定位精度不高，效率低，多用于单件、小批生产以及不宜采用夹具的大型工件的粗加工。3.夹具安装为保证加工精度要求和提高生产率，通常采用夹具安装，用夹具安装工件，无需进行划线和找正，直接由夹具来保证工件在机床上的正确位置，并在夹具上直接夹紧工件一般情况下操作比较简单，也比较容易保证加工精度要求，在各种生产类型中都有应用，特别是成批和大量生产中。4.2工件在夹具上的定位上一页下一页返回上述安装方法，都遇到工件应该怎样定位的问题，下面从定位原理开始介绍什么是工件的定位和怎样实现工件的定位。4.2.2六点定位原理一个尚末定位的工件是一个自由物体，在空间可以有六个独立的运动习惯上，把这六个独立运动称作六个自由度如图4-2所示，一个自由工件具有六个自由度：工件沿X、Y、Z轴方向的位置不确定性称为沿X、Y、Z轴的位移自由度，用表示；绕X、Y、Z轴的角位置不确定性称为绕X、Y、Z轴的旋转自由度，用

表示而一个自由工件在空间的不同位置，就是这六个自由度不同状态的综合结果。显然，要使工件在空间占据完全确定的位置，就必须限制工件的六个自由度如果按图4-3所示，用六个合理分布的定位支承点与工件分别接触，即一个支承点限制工件的一个自由度，可以使工件在夹具中的位置完全确定由此可见，要使工件在空间具有唯一确定的位置，就必须限制工件在空间的六个自由度，这就是“六点定位原理”。4.2工件在夹具上的定位上一页下一页返回在应用工件的“六点定位原理”进行定位分析时，应注意以下几点。（1）定位就是限制自由度，通常用合理布置的定位支承点来限制工件的自由度。(2)定位支承点限制工件自由度的作用，应理解为定位支承点与工件定位基准面始终保持紧贴接触若二者脱离，则意味着失去定位作用。(3)定位和夹紧是两个不同的概念，定位是为了使工件在空间某一方向占据唯一确定的位置，此时工件除受自身重力作用外，不受其他外力作用而夹紧则是使工件在外力作用下，仍能保证这唯一正确位置不变对于一般夹具，先实施定位，然后再夹紧对于自定心夹具(如三爪卡盘)，则是定位和夹紧过程同时进行因此，一定要把定位和夹紧区别开来，不能混为一谈。4.2工件在夹具上的定位上一页下一页返回(4)定位支承点是由定位元件抽象而来的，在夹具中，定位支承点总是通过具体的定位元件来体现，至于具体的定位元件应转化为几个定位支承点，需结合其结构进行分析。4.2.3工件定位的几种情况在实际生产中，应用六点定位原理分析工件在夹具中的定位问题时，常有以下几种情况：1.完全定位工件的六个自由度全部被限制的定位，称为完全定位当工件在X、Y、Z三个坐标方向上均有尺寸要求或位置精度要求时，一般采用这种定位方式。2.不完全定位根据工件的加工要求，并不需要限制工件的全部自由度，这样的定位，称为不完全定位。4.2工件在夹具上的定位上一页下一页返回3.欠定位根据工件的加工要求，应该限制的自由度没有完全被限制的定位，称为欠定位欠定位无法保证加工要求，所以是绝不允许的。4.过定位夹具上的两个或两个以上的定位元件，重复限制工件的同一个或几个自由度的现象，称为过定位由上述几种定位情况可知，完全定位和不完全定位是符合工件定位原理的定位，而欠定位和过定位是不符合工件定位原理的定位在实际应用中，欠定位绝对不允许出现，但过定位在不影响加工要求的前提下是允许使用的。4.2.4常用定位方法与定位元件1.工件以平面定位平面定位的主要形式是支承定位夹具上常用的支承元件有以下几种4.2工件在夹具上的定位上一页下一页返回1)固定支承它是指高度尺寸固定，不能调节的支承，包括固定支承钉和支承板两类。(l)固定支承钉。如图4-8所示，图4-8（a）为平头支承钉，多用于精基准定位图4-8(b)为球头支承钉，图4-8(c)为齿纹支承钉，这两种适用于粗基准定位，可减少接触面积，以便与粗基准有稳定的接触其中，球头支承钉较易磨损而失去精度齿纹支承钉能增大接触面间的摩擦力，防止工件受力走动，但落入齿纹中的切屑不易清除，故多用于侧面定位图4-8(d)为带套筒的支承钉，用于大批量生产，便于磨损后更换。支承钉与夹具体孔的配合为H7/r6或H7/n6带套筒支承钉外径与夹具体孔的配合亦为H7/r6或H7/n6，内径与支承钉的配合为H7/js6当使用几个平头支承钉(处于同一平面)时，装配后应一次磨平工作表面，以保证平面度。4.2工件在夹具上的定位上一页下一页返回(2)支承板。多用于精基准定位，有时可用一块支承板代替两个支承钉如图4-9所示，A型支承板结构简单、紧凑，但切屑易落入内六角螺钉头部的孔中，且不易清除，因此多用于侧面和顶面的定位B型支承板在工作面上有45°的斜槽，且能保持与工件定位基面连续接触，清除切屑方便，所以多用于平面定位。支承板用螺钉紧固在夹具体上，当一个平面采用两个以上的支承板定位时，装配后应一次磨平工作表面，以保证其平面度。2)调节支承它是指顶端位置可在一定高度范围内调整的支承，适用于形状、尺寸变化较大的粗基准定位，亦可用于同一夹具加工形状相同而尺寸不同的工件如图4-10所示表示了几种调节支承的基本形式，均由螺钉及螺母组成。支承高度调整好后，用螺母锁紧，以防在加工中松动4.2工件在夹具上的定位上一页下一页返回(3)自位支承在工件定位过程中，自位支承本身可以随工件定位基准面位置的变化而自动调整并与之相适应。如图4-11所示为几种常见的自位支承形式。自位支承一般只起限制一个自由度的定位作用由于接触点数的增多，可提高工件的支承刚度和定位的稳定性，适用于粗基准定位或工件刚度不足的定位情况。4)辅助支承辅助支承是用来提高工件的装夹刚度和定位的稳定性，不起定位作用的支承它是工件定位完成后参与作用的常见的辅助支承结构如图4-12所示，图4-12(a)是螺旋式辅助支承，工件定位时，支承1高度低于主要支承，工件定位后，必须逐个调整，以适应工件定位表面位置的变化，其特点是结构简单，但效率低；图4-12（b）是自位式辅助支承，其结构已经标准化，支承1的高度高于主要支承，当工件放在主要支承上后，支承1被工件定位基面压下，4.2工件在夹具上的定位上一页下一页返回并与主要支承一起与工件定位基面保持接触，然后锁紧。图4-12(c)是推引式辅助支承，支承5的高度高于主要支承，当工件放在主要支承上后，转动手柄通过楔块的作用使支承5与工件定位基面接触，然后锁紧。辅助支承的特点是：工件定位或定位夹紧后才参与支承作用，不起定位作用；有调整和锁紧机构图4-12(a)拧动螺母进行调整，螺杆本身有自锁性能；图4-12(b)靠弹簧力自动调整，通过支承1与顶柱3上7°～10°斜面自锁；图4-12(c)转动手柄调整，支承5与楔块和半圆键锁紧。2.工件以圆柱孔定位工件以圆柱孔定位大都属于定芯定位(定位基准为孔的轴线)，夹具上相应的定位元件是芯轴和定位销。4.2工件在夹具上的定位上一页下一页返回1)芯轴芯轴的结构形式很多，应用也很广泛常用的定位芯轴分为圆柱芯轴和锥度芯轴。(l)圆柱芯轴，如图4-13所示图4-13（a）是间隙配合芯轴，其工作部分一般按h6、g6或f7制造，与工件孔的配合属于间隙配合其特点是装卸工件方便，但定芯精度不高。工件常以孔与端面组合定位，因此，要求工件孔与定位端面、定位元件圆柱面与端面之间都有较高的位置精度切削力矩传递由端部螺纹夹紧时产生的夹紧力传递图4-13(b)是过盈配合芯轴，由导向部分1、工作部分2和传动部分3组成其特点是结构简单，定芯准确，不需要另设夹紧机构；但装卸工件不方便，易损坏工件定位孔因此，它多用于定芯精度高的精加工图4-13(c)为花键芯轴，用于以花键孔定位的工件当工件定位孔的长径比L/D＞1时，芯轴工作部分应稍带锥度设计花键芯轴时，应根据工件的不同定位方式来确定芯轴的结构。4.2工件在夹具上的定位上一页下一页返回(2)锥度芯轴，如图4-14所示。工件楔紧在锥度芯轴上，定芯精度较高，但轴向位移较大工件是靠基准孔与芯轴表面的弹性变形夹紧的，故传递转矩较小，适于精加工或检验工序基准孔的精度应不低于IT7锥度芯轴的结构尺确定，参考有关标准或夹具手册。此外，芯轴定位还有弹性芯轴、液塑芯轴、自动定芯芯轴等，这些芯轴在工件定位的同时将工件夹紧，使用起来很方便，但结构复杂。2)定位销(1)固定式定位销，如图4-15所示它是直接用过盈配合(H7/r6或H7/n6)装在夹具体上的定位销，有圆柱销和菱形销两种类型其中，圆柱销限制工件的两个移动自由度，菱形销限制工件的一个自由度。(2)可换式定位销在大批量生产时，因装卸工件频繁，易磨损，往往丧失定位精度，常采用可换式定位销，如图4-16所示衬套外径与夹具体的配合为H7/n6，内径与可换定位销的配合为H7/h6或H7/h5。4.2工件在夹具上的定位上一页下一页返回(3)圆锥定位销，如图4-17所示工件圆孔与圆锥销定位，圆孔与锥销的接触线为一个圆，可限制工件的三个移动自由度。如图4-17(a)所示用于粗基准面定位，如图4-17(b)所示用于精基面定位。工件以圆孔与锥销定位能实现无间隙配合，但单个圆锥销定位时容易倾斜，因此，圆锥销一般不单独使用。3.工件以外圆柱面定位1)V形块如图4-18所示，V形块已经标准化，两斜面夹角有60°、90°、120°。其中，90°V形块使用最广泛，使用时可根据定位圆柱面的长度和直径进行选择V形块结构有多种形式，如图4-18(a)所示V形块适用于较长的加工过的圆柱面定位；如图4-18(b)所示V形块适用于较长的粗糙的圆柱面定位；如图4-18(c)所示V形块为镶装支承钉或支承板的结构，其底座采用铸件，V形面采用淬火钢件，以减少磨损，提高寿命和节省钢材它适用于尺寸较大的圆柱面定位。4.2工件在夹具上的定位上一页下一页返回使用V形块定位具有良好的对中性，能使工件的定位基准(轴线)处在V形块对称平面上，不受定位基面直径误差的影响，且装夹方便，可用于粗、精基准面以及整圆柱面或部分圆柱面的定位活动V形块还可兼作夹紧元件另外，它还适用于阶梯轴及曲轴的定位，并且装卸工件很方便2)定位套筒如图4-19所示，工件以外圆柱面作为定位基面在圆孔中定位，外圆柱面的轴线是定位基准，外圆柱面是定位基面这种方法，定位结构简单，制造容易，但定芯精度不高，当工件外圆与定位孔配合较松时，还易使工件偏斜因此，常采用套筒内孔与端面一起定位，以减少偏斜若工件端面较大时，为避免过定位，定位孔应做短些。4.2工件在夹具上的定位上一页下一页返回4.工件以一面两孔定位在加工箱体、支架、连杆和机体类工件时，常以平面和垂直于此平面的两个孔为定位基准组合起来定位，称为一面两孔定位此时，工件上的孔可以是专为工艺的定位需要而加工的工艺孔，也可以是工件上原有的孔。一面两孔定位，通常要求平面为第一定位基准，限制工件的三个自由度，定位元件是支承板或支承钉；孔1的中心线为第二定位基准，限制工件的两个自由度，定位元件是短圆柱销；孔2的中心线为第三定位基准，限制工件的一个自由度，定位元件是短菱形销，实现六点定位，如图4-20所示。工件以一面两孔定位时，若不采用一个圆柱销和一个菱形销，而是采用两个圆柱销，则沿工件上两孔连心线方向的自由度被重复限制了，属于过定位。4.2工件在夹具上的定位上一页下一页返回4.2.5定位误差的分析1.加工误差的组成使用夹具时，造成加工误差的因素主要有以下四个方面(1)与工件在夹具中定位有关的误差，称为定位误差，用

D表示。(2)与夹具在机床上安装有关的误差，称为安装误差，用

A表示。(3)与导向或对刀有关的误差，称为对刀误差，用

T表示。(4)与加工方法有关的误差，包括机床误差、刀具误差、变形误差和测量误差等，称为加工方法误差，用

G表示。为了保证工件的加工要求，上述误差合成后不应超出工件的加工误差T，即

A+

D+

T+

G≤T上述不等式中，与夹具有关的误差是

D、

A、

T三项，下面主要研究与工件在夹具中定位有关的误差

D。4.2工件在夹具上的定位上一页下一页返回2.产生定位误差的原因定位误差的产生原因主要包括定位基准与工序基准不重合所产生的基准不重合误差以及定位基准位移误差两方面。基准不重合误差是由于工件定位时用的定位基准与工件的工序基准不重合而使工序基准的位置发生变动所引起的，其大小等于工序基准与定位基准间的尺寸及相对位置在加工尺寸方向上的变动量，以

B，表示基准位移误差是定位基准相对于其理想位置的最大变动量，用

Y表示4.2工件在夹具上的定位上一页返回工件在夹具上定位以后，必须采用一些装置将工件夹紧压牢，使其在加工过程中不会因受切削力、惯性力等作用而使工件产生位移或振动这种将工件夹紧压牢的装置称为夹紧装置。4.3.1夹紧装置的组成及基本要求1.夹紧装置的组成夹紧装置的结构形式是多种多样的，一般由以下三部分组成。1)力源装置通常将产生夹紧作用力的装置称为力源装置其所产生的力称为原动力常用的动力有气动、液动、电动等图4-21中的力源装置是气缸1。手动夹紧装置的力源是人的手。2)中间传力机构中间传力机构是指将力源装置产生的原动力传递给夹紧元件的机构，如图4-21所示的斜楔2根据夹紧的需要，4.3工件在夹具中的夹紧下一页返回中间传力机构在传力过程中可以改变夹紧力的大小和方向并使其夹紧实现自锁，以保证力源提供的原始力消失后仍可靠地夹紧工件这对手动夹紧尤为重要。3)夹紧元件夹紧元件是夹紧装置的最终执行元件它直接作用在工件上完成夹紧作用，如图4-21所示的压板4。在一些简单的手动夹紧装置中，夹紧元件与中间传力机构往往是混在一起的，很难截然分开因此，常将二者统称为夹紧机构。2.对夹紧装置的基本要求(1)能保证工件定位后占据的正确位置(2)夹紧力的大小要适当、稳定既要保证工件在整个加工过程中的位置稳定不变，振动小，又要使工件不产生过大的夹紧变形。(3)夹紧装置的复杂程度和和自动化程度应与工件的生产批量和生产方式相适应。4.3工件在夹具中的夹紧上一页下一页返回(4)工艺性好，使用性好其结构应尽量简单，便于制造和维修；尽可能使用标准夹具零部件；操作方便、安全、省力。4.3.2夹紧力的确定夹紧力包括夹紧力的方向、作用点和大小三个要索它们的确定是夹紧机构设计中首先要解决的问题。1.夹紧力的方向选择(1)夹紧力的作用方向应有利于工件的准确定位，而不能破坏定位为此，一般要求主要夹紧力应垂直指向主要定位面因为这一表面面积最大，定位元件最多，能使接触点的单位压力相对地减少，以免损伤定位元件，并使工件定位稳定如图4-22所示，在工件上锁一个孔，要求孔中心线与工件的A面垂直，故A面为主要定位基面，应使夹紧力垂直于A面，才能保证工件既定的位置，以满足精度要求但若夹紧力指向B面，则由于A与B面间有垂直度误差，破坏了定位，无法满足加工精度的要求。4.3工件在夹具中的夹紧上一页下一页返回(2)夹紧力的作用方向应尽量与工件刚度最大的方向相一致，以减小工件变形量图4-23为加工薄壁套筒的两种夹紧方式，由于工件的径向刚度很差，用如图4-23(a)所示的径向夹紧方式将产生过大的夹紧变形而无法保证加工精度若改用如图4-23（b）所示的轴向夹紧方式，则可大大减少工件的夹紧变形。(3)夹紧力的方向应有利于减小夹紧力最佳情况是夹紧力、切削力和工件的重力三者方向一致这样既省力，又可减少工件的夹紧变形，还可减小夹紧装置的结构尺寸如图4-24所示为夹紧力W、工件重力C和切削力F三者的关系，当夹紧力W与G、F方向一致时，所需夹紧力较小；当夹紧力W与C、F方向相反时，所需夹紧力较大。2.夹紧力作用点的选择夹紧力作用点选择包括作用点的位置、数量、布局、作用方式它们影响到工件的定位准确性、可靠性及夹紧变形，同时还会影响夹紧装置的结构复杂性和工作效率具体设计时应遵循以下原则：4.3工件在夹具中的夹紧上一页下一页返回(1)夹紧力的作用点应能保持工件定位稳定，不引起工件发生位移或偏转为此夹紧力的作用点应落在定位元件上或支承范围内，否则夹紧力与支座反力会构成力矩，夹紧时工件将发生偏转(2)夹紧力的作用点应有利于减小夹紧变形。夹紧力的作用点应落在工件刚性好的方向和部位，特别是对低刚度工件如图4-25(a)所示薄壁套的轴向刚性比径向好，用卡爪径向夹紧，工件变形大，若沿轴向施加夹紧力，变形就会小得多对于图4-25(b)